很多傳感器都是以低頻產(chǎn)生低輸出電壓，需要一個(gè)高增益和有**性能(接近于dc)的信號調節電路。我們評估了現代模擬電路所采用傳感器的信號調節狀況。

現代傳感器能檢測許多模擬屬性，如溫度、力、壓力、濕度、流動(dòng)、功率等，并將其轉換成一定的電壓、電流、電荷輸出。這些輸出或為阻性模擬信號， 或為純數字信號， 其大小與對應的環(huán)境激勵成比例。有些傳感器可自行工作； 還有一些則需要提供電源， 通常是電壓源或電流源形式。很多時(shí)候， 需要對信號做單獨的調節或合并， 才能提供有用的電子輸出信號。本文中，我們來(lái)看一些現代模擬電路中用于傳感器信號調節的技術(shù)。隨著(zhù)對高精密運放需求的不斷增長(cháng)，自校準架構也日益普及，這種架構可連續地校準偏移誤差。Microchip公司**產(chǎn)品營(yíng)銷(xiāo)工程師Kevin Tretter發(fā)現，很多放大器制造商都用“零漂移”來(lái)表示任何的連續自校準架構，無(wú)論是自動(dòng)穩零結構，還是斬波穩零結構。通常，斬波放大器更適合用于dc或低頻應用，而自動(dòng)穩零放大器則適用于更大帶寬的應用。

Tretter指出，用于零漂信號調節的自動(dòng)穩零架構包括一個(gè)主放大器和次放大器，主放大器永遠連到輸入端，而次放大器則不斷修正它們自己的偏移，并將偏移修正值應用于主放大器。Microchip公司已在MCP6V01上實(shí)現了這種類(lèi)型的架構，其主放大器偏移誤差的修正速度為1萬(wàn)次/s，從而獲得了Microchip稱(chēng)之為極低的偏移和失調漂移。

斬波穩零架構也使用一只永遠與輸入端相連的大帶寬主放大器， 另外有一個(gè)“ 輔助” 放大器， 它使用開(kāi)關(guān)來(lái)斬斷輸入信號， 為主放大器提供偏移校正。例如，Microchip的MCP6V11小功率放大器通過(guò)斬波動(dòng)作限度地減少了偏移以及偏移相關(guān)的誤差。

雖然內部工作方式不同，但自動(dòng)穩零和斬波穩零放大器都有相同的目標： 盡量減小偏移以及偏移相關(guān)的誤差。結果不僅獲得了低的初始偏移， 而且在各個(gè)時(shí)間和溫度下也有低的失調漂移、極好的共模抑制與電源抑制，并消除了1/f ( 頻率相關(guān))噪聲。

斬波架構

Analog Devices公司應用工程經(jīng)理Reza Moghimi指出，很多傳感器都是以低頻產(chǎn)生低輸出電壓，需要一個(gè)高增益和有**性能(接近于dc)的信號調節電路。這些傳感器的應用包括精密電子秤、測壓元件與橋式換能器、熱電偶/溫差電堆傳感器的接口，以及精密醫療儀器。

用于這些傳感器信號調節的是非精密放大器， 它們的偏移電壓、失調漂移電壓， 以及1 / f 噪聲都會(huì )造成誤差， 需要軟件或硬件的校正。Moghimi提供了一個(gè)采用零漂放大器做高精度信號調節的實(shí)例。該放大器設計實(shí)現了超低偏移電壓與漂移、高開(kāi)環(huán)增益、高電源抑制比、高共模抑制能力，且無(wú)1/f噪聲，設計人員獲得了無(wú)需校正的便利。

圖1中的電路是一個(gè)單電源精密電子秤， 它使用了AD7791 ，這是一款小功率帶緩沖的24 位Σ - ΔADC ， 還有一只外接的ADA4528- x 零漂放大器。電路已經(jīng)過(guò)了ADI的建立與測試，具體說(shuō)明見(jiàn)參考文獻1， 在10 mV滿(mǎn)量程輸出下，對一個(gè)測重元件可產(chǎn)生15.3 位的無(wú)噪聲編碼分辨率， 并在從9.5Hz~120Hz的整個(gè)輸出數據區間上都能保持良好的性能。

電路中的差分放大器包括兩只低噪聲零漂ADA 4528 放大器，它具有1kHz 時(shí)5. 6nV/電壓噪聲密度，0.3μV偏移電壓，0.002μV /失調電壓漂移，以及分別為158dB和150dB的共模抑制與電源抑制。電路增益等于1+2R1/RG，電容C1、C2與電阻R1、R2并聯(lián)實(shí)現的低通濾波器將噪聲帶寬限制到4.3Hz，阻止了進(jìn)入Σ - Δ ADC 的噪聲量。C5、R3和R4構成一個(gè)截止頻率為8Hz 的差分濾波器， 用于進(jìn)一步限制噪聲。C3 、C4 與R3 、R4共同構成截止頻率為159Hz的共模濾波器。

另一個(gè)高精度小功率信號調節的例子是圖2中給出的心電圖電路，也在參考文獻2中有說(shuō)明。ECG電路必須工作在一個(gè)差分dc偏移下，因為電極有半電池電勢。這個(gè)過(guò)壓的容限通常是±300 mV，但在有些情況下可以為1V或更高。ECG電路中有電源電壓的下降趨勢及存在這個(gè)較高半電池電勢，限制了可以加在初級信號調節上的增益。

AD8237架構解決這一問(wèn)題的方法是，從輸出端到REF管腳接一個(gè)低頻反相積分器，其擺幅*多為dc偏移，而不是dc偏移與增益的乘積。由于放大器增益加在積分器輸出端，放大級可以施加高增益，并降低對系統其余部分的精度要求。這級放大之后信號路徑中器件的噪聲與偏移誤差對整體精度幾乎沒(méi)有貢獻。AD8607雙微功耗儀表運放用于積分、緩沖與電平轉換，電源電流為115μA。圖中未顯示應有的去耦部分。

零漂軌至軌輸入與輸出儀表放大器可以工作在*小1.8V 電源電壓， 增益漂移為0.5 ppm / ，而失調漂移電壓為0.2 μV / 。兩只外接電阻可在1 ~1000 區間內設定增益值。AD 8607 可以滿(mǎn)幅放大共模電壓等于或超出300 mV電源電壓的信號。

應用

Microchip公司的Tretter指出，當斬波穩零放大器**進(jìn)入市場(chǎng)時(shí)，它們具有大開(kāi)關(guān)電流與布局敏感的特性， 使之既難使用成本又高。因此設計者將其局限用于那些性能非常關(guān)鍵的應用。自那以后， 工藝技術(shù)與硅設計的發(fā)展改善了零漂放大器的可用性， 從而在廣泛的應用中找到了用武之地， 包括醫療設備、工業(yè)流量?jì)x表、萬(wàn)用表、稱(chēng)重計， 甚至游戲機等。很多傳感器通常都排列成一種Wheatstone橋結構，如應力規、RTD(電阻溫度檢測器)和壓力傳感器(圖3)，因為這種電路類(lèi)型提供了出色的靈敏度。即使在一個(gè)Wheatstone橋結構中使用了多只傳感器， 輸出電壓的總變化也相對較小，通常在毫伏區間。由于信號幅度小，一般需要一個(gè)增益級，然后再通過(guò)ADC將電壓轉換為數字信號。Tretter稱(chēng)，零漂放大器是這類(lèi)應用的一個(gè)上佳選擇，因為它有高增益和噪聲。